7.3 : Oxydation du pyruvate et cycle de l'acide citrique

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Compétences à développer

Expliquer en quoi une voie circulaire, telle que le cycle de l'acide citrique, diffère fondamentalement d'une voie linéaire, telle que la glycolyse
Décrire comment le pyruvate, produit de la glycolyse, est préparé pour entrer dans le cycle de l'acide citrique

Si de l'oxygène est disponible, la respiration aérobie se poursuivra. Dans les cellules eucaryotes, les molécules de pyruvate produites à la fin de la glycolyse sont transportées dans les mitochondries, qui sont les sites de respiration cellulaire. Le pyruvate y sera transformé en un groupe acétyle qui sera capté et activé par un composé porteur appelé coenzyme A (CoA). Le composé obtenu est appelé acétyl CoA. Le CoA est fabriqué à partir de vitamine B5, l'acide pantothéniques. L'acétyl CoA peut être utilisé de différentes manières par la cellule, mais sa fonction principale est de transmettre le groupe acétyle dérivé du pyruvate au stade suivant du catabolisme du glucose.

Décomposition du pyruvate

Pour que le pyruvate, le produit de la glycolyse, entre dans la voie suivante, il doit subir plusieurs modifications. La conversion est un processus en trois étapes (Figure\(\PageIndex{1}\)).

Étape 1. Un groupe carboxyle est retiré du pyruvate, libérant une molécule de dioxyde de carbone dans le milieu environnant. Le résultat de cette étape est un groupe hydroxyéthyle à deux carbones lié à l'enzyme (pyruvate déshydrogénase). Il s'agit du premier des six carbones de la molécule de glucose d'origine à être retiré. Cette étape se déroule deux fois (rappelez-vous que deux molécules de pyruvate sont produites à la fin de la glycolse) pour chaque molécule de glucose métabolisée ; ainsi, deux des six carbones auront été éliminés à la fin des deux étapes.

Étape 2. Le groupe hydroxyéthyle est oxydé en groupe acétyle et les électrons sont captés par le ^NAD+, formant du NADH. Les électrons de haute énergie du NADH seront utilisés ultérieurement pour générer de l'ATP.

Étape 3. Le groupe acétyle lié à l'enzyme est transféré au CoA, produisant une molécule d'acétyl CoA.

Cette illustration montre la conversion en trois étapes du pyruvate en acétyl CoA. Dans la première étape, un groupe carboxyle est retiré du pyruvate, libérant du dioxyde de carbone. Dans la deuxième étape, une réaction d'oxydoréduction forme de l'acétate et du NADH. Dans la troisième étape, l'acétate est transféré sous forme de coenzyme A, formant de l'acétyl CoA. — Figure\(\PageIndex{1}\) : En entrant dans la matrice mitochondriale, un complexe multi-enzymatique convertit le pyruvate en acétyl CoA. Au cours du processus, du dioxyde de carbone est libéré et une molécule de NADH se forme.

Notez qu'au cours de la deuxième étape du métabolisme du glucose, chaque fois qu'un atome de carbone est retiré, il est lié à deux atomes d'oxygène, produisant du dioxyde de carbone, l'un des principaux produits finaux de la respiration cellulaire.

Acétyl CoA en CO ₂

En présence d'oxygène, l'acétyl CoA transmet son groupe acétyle à une molécule à quatre carbones, l'oxaloacétate, pour former du citrate, une molécule à six carbones dotée de trois groupes carboxyle ; cette voie récupérera le reste de l'énergie extractible de ce qui a commencé comme une molécule de glucose. Cette voie unique porte différents noms : le cycle de l'acide citrique (pour le premier intermédiaire formé, l'acide citrique ou le citrate, lorsque l'acétate se joint à l'oxaloacétate), le cycle du TCA (puisque l'acide citrique ou le citrate et l'isocitrate sont des acides tricarboxyliques) et le cycle de Krebs , d'après Hans Krebs, qui a identifié pour la première fois les étapes du parcours dans les années 1930 dans les muscles volants des pigeons.

Cycle d'acide citrique

Tout comme la conversion du pyruvate en acétyl CoA, le cycle de l'acide citrique se déroule dans la matrice des mitochondries. Presque toutes les enzymes du cycle de l'acide citrique sont solubles, à l'exception de l'enzyme succinate déshydrogénase, qui est intégrée dans la membrane interne de la mitochondrie. Contrairement à la glycolyse, le cycle de l'acide citrique est en boucle fermée : la dernière partie du processus régénère le composé utilisé dans la première étape. Les huit étapes du cycle sont une série de réactions d'oxydoréduction, de déshydratation, d'hydratation et de décarboxylation qui produisent deux molécules de dioxyde de carbone, une GTP/ATP et des formes réduites de NADH et de FADH ₂ (Figure\(\PageIndex{2}\)). Ceci est considéré comme une voie aérobie car le NADH et le FADH ₂ produits doivent transférer leurs électrons vers la voie suivante du système, qui utilisera de l'oxygène. Si ce transfert ne se produit pas, les étapes d'oxydation du cycle de l'acide citrique ne se produisent pas non plus. Notez que le cycle de l'acide citrique produit directement très peu d'ATP et ne consomme pas directement d'oxygène.

Étapes du cycle de l'acide citrique

Étape 1. Avant le début de la première étape, une phase de transition se produit au cours de laquelle l'acide pyruvique est converti en acétyl CoA. Ensuite, la première étape du cycle commence : il s'agit d'une étape de condensation, combinant le groupe acétyle à deux carbones avec une molécule d'oxaloacétate à quatre carbones pour former une molécule à six carbones de citrate. Le CoA est lié à un groupe sulfhydryle (-SH) et diffuse pour finalement se combiner avec un autre groupe acétyle. Cette étape est irréversible car très exergonique. La vitesse de cette réaction est contrôlée par une rétroaction négative et la quantité d'ATP disponible. Si les niveaux d'ATP augmentent, la vitesse de cette réaction diminue. En cas de pénurie d'ATP, le taux augmente.

Étape 2. Au cours de la deuxième étape, le citrate perd une molécule d'eau et en gagne une autre lorsque le citrate est converti en son isomère, l'isocitrate.

Étape 3. Au cours de la troisième étape, l'isocitrate est oxydé, produisant une molécule à cinq carbones, l'α-cétoglutarate, ainsi qu'une molécule de CO ₂ et deux électrons, qui réduisent le ^NAD+ en NADH. Cette étape est également régulée par la rétroaction négative de l'ATP et du NADH, et par un effet positif de l'ADP.

Étapes 3 et 4. Les étapes trois et quatre sont à la fois des étapes d'oxydation et de décarboxylation, qui libèrent des électrons qui réduisent le ^NAD+ en NADH et libèrent des groupes carboxyle qui forment des molécules de CO ₂. L'α-cétoglutarate est le produit de la troisième étape et un groupe succinyle est le produit de la quatrième étape. Le CoA lie le groupe succinyle pour former du succinyl CoA. L'enzyme qui catalyse la quatrième étape est régulée par la rétroinhibition de l'ATP, du succinyl CoA et du NADH.

Étape 5. Dans la cinquième étape, un groupe phosphate est substitué à la coenzyme A et une liaison à haute énergie est formée. Cette énergie est utilisée dans la phosphorylation au niveau du substrat (lors de la conversion du groupe succinyle en succinate) pour former du guanine triphosphate (GTP) ou de l'ATP. Il existe deux formes d'enzyme, appelées isoenzymes, pour cette étape, selon le type de tissu animal dans lequel elles se trouvent. Une forme se trouve dans les tissus qui utilisent de grandes quantités d'ATP, tels que le cœur et les muscles squelettiques. Ce formulaire produit de l'ATP. La deuxième forme de l'enzyme se trouve dans les tissus qui possèdent un grand nombre de voies anabolisantes, comme le foie. Ce formulaire produit du GTP. Le GTP est équivalent sur le plan énergétique à l'ATP, mais son utilisation est plus restreinte. En particulier, la synthèse des protéines utilise principalement le GTP.

Étape 6. La sixième étape est un processus de déshydratation qui convertit le succinate en fumarate. Deux atomes d'hydrogène sont transférés au FAD, produisant du FADH ₂. L'énergie contenue dans les électrons de ces atomes est insuffisante pour réduire le ^NAD+ mais suffisante pour réduire le FAD. Contrairement au NADH, ce support reste attaché à l'enzyme et transfère les électrons directement à la chaîne de transport d'électrons. Ce processus est rendu possible par la localisation de l'enzyme catalysant cette étape à l'intérieur de la membrane interne de la mitochondrie.

Étape 7. De l'eau est ajoutée au fumarate au cours de la septième étape, et du malate est produit. La dernière étape du cycle de l'acide citrique régénère l'oxaloacétate en oxydant le malate. Une autre molécule de NADH est produite au cours du processus.

Lien vers l'apprentissage

Cliquez sur chaque étape du cycle de l'acide citrique ici.

Produits du cycle de l'acide citrique

Deux atomes de carbone entrent dans le cycle de l'acide citrique à partir de chaque groupe acétyle, représentant quatre des six carbones d'une molécule de glucose. Deux molécules de dioxyde de carbone sont libérées à chaque tour du cycle ; toutefois, celles-ci ne contiennent pas nécessairement les derniers atomes de carbone ajoutés. Les deux atomes de carbone acétyle finiront par être libérés à des tours ultérieurs du cycle ; ainsi, les six atomes de carbone de la molécule de glucose d'origine seront finalement incorporés dans le dioxyde de carbone. Chaque tour du cycle forme trois molécules de NADH et une molécule de FADH ₂. Ces porteurs se connecteront à la dernière partie de la respiration aérobie pour produire des molécules d'ATP. Un GTP ou ATP est également créé à chaque cycle. Plusieurs des composés intermédiaires du cycle de l'acide citrique peuvent être utilisés pour synthétiser des acides aminés non essentiels ; par conséquent, le cycle est amphibolique (catabolique et anabolique).

Résumé

En présence d'oxygène, le pyruvate est transformé en un groupe acétyle attaché à une molécule porteuse de la coenzyme A. L'acétyl CoA qui en résulte peut emprunter plusieurs voies, mais le plus souvent, le groupe acétyle est introduit dans le cycle de l'acide citrique pour un catabolisme ultérieur. Lors de la conversion du pyruvate en groupe acétyle, une molécule de dioxyde de carbone et deux électrons de haute énergie sont retirés. Le dioxyde de carbone représente deux (conversion de deux molécules de pyruvate) des six carbones de la molécule de glucose d'origine. Les électrons sont captés par le ^NAD+, et le NADH les transporte vers une voie ultérieure de production d'ATP. À ce stade, la molécule de glucose qui a initialement pénétré dans la respiration cellulaire a été complètement oxydée. L'énergie potentielle chimique stockée dans la molécule de glucose a été transférée à des porteurs d'électrons ou a été utilisée pour synthétiser quelques ATP.

Le cycle de l'acide citrique est une série de réactions d'oxydoréduction et de décarboxylation qui éliminent les électrons de haute énergie et le dioxyde de carbone. Les électrons stockés temporairement dans les molécules de NADH et de FADH ₂ sont utilisés pour générer de l'ATP par une voie ultérieure. Une molécule de GTP ou d'ATP est produite par phosphorylation au niveau du substrat à chaque tour du cycle. Il n'y a aucune comparaison entre la voie cyclique et une voie linéaire.

Lexique

acétyl CoA: combinaison d'un groupe acétyle dérivé de l'acide pyruvique et de la coenzyme A, qui est fabriquée à partir d'acide pantothéniques (une vitamine du groupe B)

cycle d'acide citrique: (également, cycle de Krebs) série de réactions chimiques catalysées par des enzymes d'une importance capitale pour toutes les cellules vivantes

Cycle de Krebs: (également, cycle de l'acide citrique) nom alternatif du cycle de l'acide citrique, du nom de Hans Krebs qui a identifié pour la première fois les étapes du processus dans les années 1930 dans les muscles du vol des pigeons ; voir cycle de l'acide citrique

Cycle du TCA: (également, cycle de l'acide citrique) nom alternatif du cycle de l'acide citrique, nommé d'après le nom de groupe de l'acide citrique, acide tricarboxylique (TCA) ; voir cycle de l'acide citrique